由于传统物流带来的环境污染、能源危机以及交通拥堵等问题，城市地下物流系统(Underground Logistic System)应运而生。
城市地下物流系统简称ULS，是指利用AGV(自动引导车)和DMT（两用车）等运载工具，通过超大型地下管道、隧道等运输通道，运输固体货物的一种新型运输供应系统。
本期，我们将以城市地下物流系统为基础，解析现阶段城市地下物流系统发展的困难，根据城市地下物流系统与地铁联合运作形成地铁物流系统的设想，分析地铁物流系统的优势与不足，并建立客货共线和客货分线的运作模式。
一.现阶段建设城市地下物流系统的困难
1、建设ULS所需的深层空间尚未开发
根据文献［1］对地下空间分层开发的相关研究，城市地下物流系统宜在地表30m以下的深层空间施工，而目前我国大多数城市在0～-30 m（以地表为水平坐标轴）的地下空间还有很大的发展余地。即便是在经济、科技领先的城市上海，其地下开发空间的深度仍集中在0～-30m。
图1所示为上海市规划局公布的上海市地下空间概念规划图，文献［1］中根据上海市的实际发展情况以及地下空间开发利用由浅至深的原则，将上海市地下空间分为四个阶段：
现有浅层开发深度0～-15m，近期中层开发深度-15～-30 m，中期深层开发深度-30～-50 m ，远期超深层开发深度-50 m～∞。
现阶段，在0～-30m的地下空间没有完全利用的情况下，根据上述原则将优先发展近期中层开发深度即-15～-30 m，而不会开发地表30m以下的城市地下物流系统。
图 1 上海市地下空间概念规划图
图片来源：《上海市地下空间概念规划》
2、ULS工程复杂且风险巨大
城市地下物流系统作为物联网、大数据等IT技术和城市管理、地下工程技术等结合的产物，涉及工程、学科领域较多，例如交通工程、物流工程、电子信息、地下工程等学科。
其不仅需要考虑城市规划、物流管理、工程建设、运输安全、自动控制等多个方面，还需要与其他城市基础设施之间相互配套对接，这导致建设城市地下物流系统工程的复杂程度极高。
此外，城市地下物流系统建设时隧道施工、起重吊装作业、悬空作业等风险巨大，易出现坍塌以及地下管线的断裂等严重情况，施工之中还存在机械伤害、触电、噪声污染等安全隐患。
3、ULS资金投入多且回收期长
城市地下物流系统前期造价较高，边际效益模糊且缺少投资主体。
ULS需要修建隧道、轨道、自动化运载工具、机械化装卸平台等硬件设备，搭建物流系统的信息管理、调度系统、信息控制、导航系统等软件系统，硬件、软件两方面的投入使得建设ULS需要耗费大量资金。
此外，城市地下物流系统作为可持续使用的项目，投入运营时成本极高，需要考虑机械设备的维修、软件系统升级等诸多费用。该系统在前期未大规模投入使用时，利润率较低，资金回收期长。
二.城市地下物流系统与地铁联合运作优势分析
考虑到现阶段建设城市地下物流系统的困难，近年有学者如：Kikuta等（2012）、 Dampier等（2015）、彭玫贞等（2017）、王小林等（2019）、刘蕴博等（2019）提出了地铁与城市地下物流系统结合而成的地铁物流系统。
地铁物流系统充分利用现有的地下空间设备，减少资金投入，最大程度地克服建设城市地下物流系统的困难，达到理想的效果，其优势分析如下:
1、现有地铁轨道“一物两用”
城市地下物流系统与地铁具有相似的运载工具，使得地铁物流系统能够利用现有的地铁轨道，以地铁客运车厢加挂货运车厢的方式实现中小型货物的成组运输。
城市地下物流系统需要CargoCap、AGV和 DMT等自动化运载工具，地铁依靠列车进行运输。
虽然地铁的车厢需要扶手、座椅等设施以满足乘客需求，但通过图 2德国CargoCap智能系统运输集装箱工具、图 3地铁列车对比，可以看出两者的运载工具在外观以及牵引方式方面高度相似，这使得地铁物流系统充分利用现有的地铁轨道成为可能。
图 2 CargoCap智能系统运输集装箱工具
图 3 上海地铁
图片来源：上海地铁官网
2、充分运用网状线路布局
城市地下物流系统的最终发展目标是成为一个连接物流中心与配送终端的城市地下物流运输网络，我国地铁的设计策略与ULS发展目标类似，即追求网络化建设以各线路之间相互统筹协作。
图4上海市轨道交通线路图，其已具备高度网络化的的特点，地铁物流可以以此为参照，进行线路规划。
此外，二者均需要联合其他交通系统以实现“最后一公里”运输。
目前，地铁运输网已经紧密联合公交等其他交通运输系统，地铁物流系统也能运用现有的交通规划，配套对接其他城市基础设施，高效完成物流作业。
因此，从结构布局方面来看，二者具有高度相似性，联合运作能够最大程度的发挥现有交通网络的优势。
图 4 上海市轨道交通线路图
图片来源：上海地铁官网
3、资金投入低且收益稳定
与建设全新的地下物流系统相比，地铁物流系统无需重新挖掘隧道，前期投资只需集中在扩建地铁站、增设机械化装卸货设备等方面，能够减少相应的资金投入。
此外，地铁作为政府补贴运营的公共性产品，目前仍处于亏损状态。
根据21世纪经济报道对28个城市的不完全统计显示：
2018年仅杭州、青岛、深圳、北京等4座城市实现地铁运营收支平衡，包括上海在内的其余24座城市处于亏本状态，2018年运营收支比仅为78%。
如果采用地铁物流系统，虽然前期仍需投入资金，但在政府的宣传与引导以及相关部门合理规划和利用下，该系统潜在收益巨大且稳定,能在一定程度上增加公共交通部门的额外收入。
从长远来看，建设地铁物流是十分具有优势的。
4、节约能源、减少环境污染以及城市问题
物流量急剧增长所带来的环境恶化、交通拥堵以及资源紧张，都是现今传统物流自身无法避免的弊端，出行困难、物流效率低下势必影响经济的健康发展，而地铁物流系统可以利用自身的优点针对性解决传统物流存在的问题。
地铁物流系统在地下进行运输，可以减轻地面道路的交通压力、减少噪音污染，并且地铁依靠电力驱动，能够有效减少城市污染，改善生态环境。
此外，地铁运输不受天气等外界条件干扰，可以保证运输更可靠和高效。
更重要的是，地铁物流系统充分利用已有资源，符合资源节约型社会的发展要求，是城市可持续发展的必要选择。
三.城市地下物流系统与地铁物流差异性分析
1、地铁与城市地下物流系统的运输方式不完全相同
根据运输通路类型不同，可以将城市地下物流系统划分为管道式货运系统和隧道式货运系统，而地铁运输属于隧道式客运系统。
因此，地铁物流系统只能进行中小型货物成组运输，依靠管道的气力输送、浆体输送和舱体输送并不能通过地铁物流系统完成。
2、地铁与城市地下物流系统对载客、载货量和运输安全性要求不同
如果利用现有的地铁轨道进行货物运输，首先要考虑轨道的承载能力以及磨损程度，这使得与客运地铁列车共线的地铁物流系统只能用运送中小型货物。
其次，地铁需要保证乘客的生命安全，而速度较快的货运列车只需保证货物的质量安全。
由此可见，相比城市地下物流系统，地铁物流系统需要降速行驶，牺牲部分货运周转量以保证乘客的安全。
3、城市地下物流系统作业时间与地铁载客间隔时间不一致
地铁停站停靠时间十分短暂，依靠传统的人力劳动并不能满足物流作业需求。
若不进行合理规划，无法达到乘客和卸货的双重要求，必定会降低客户服务水平和物流作业程度。
因此，为了加快物流作业速度，地铁物流系统需要增设自动化卸货设备，这也在一定程度上增加了运营成本。
4、缺少机械化装卸工具和设备
现有的地铁站并无机械化装卸工具和设备，这十分不利于大批量货物的流转，需要对有货运需求的地铁站进行改造。
可以设置自动化传送设备，例如通过自动搬运机将货物送至指定车厢门口，再通过传送带自动送至卸货平台，最后利用垂直货梯将货物运送至地面。
5、无法实现“最后一公里”配送
地铁系统缺乏“门到门”的运输能力，无法直接将货物运送给顾客，需要依靠轻型箱式货车将货物从地铁站运至快递网点，再由快递网点的工作人员配送到客户手中。
因此，地铁物流系统无法独立完成全程配送，在“最后一公里配送”环节，需要配套对接其他城市基础设施。这将增加系统复杂性和运输费用，并对时效性货物的运输产生影响。
四.地铁物流系统运作模式分析
地铁物流系统在运作模式上可以分为客货分线和客货共线两类，由于客货分线模式的施工量远大于客货共线模式，其更适用于正在修建或计划修建的地铁系统。
针对已经存在的地铁网络，客货共线模式下实现中小型货物运输更为优越。
以下将以客货共线运作模式为重点，对地铁物流系统的运作模式进行具体分析：
1、客货分线模式
如图5所示，客货分线模式即每条线路上有两条轨道，分别负责客运和货运。
该模式需新建轨道以及货运专用列车，充分考虑大断面隧道施工、客货列车载重和速度不同产生压力差等技术问题，货物装卸环节与乘客上下列车共用站台的安全问题，并根据不同种类的货物安排不同的车型。
鉴于客货分线模式需要考虑的技术问题偏多，工程量浩大，该系统更适用于正在修建或计划修建的地铁系统。
图 5 客货分线的运作模式
客货分线模式在运作时要以客运列车运行安全为根本，结合当日货运量决定货运列车的运营时段与开行频次，达到效益最大化。
客货分线后，从客运方面来看，载客列车的运行速度能够进一步提高。
从货运方面来看，地铁物流系统缓解了地面交通压力，达到了建设城市地下物流系统的目的，在客运、货运互不影响的基础上充分利用地下空间、减少投入成本。
2、客货共线模式
如图6所示，客货共线即在同一条轨道上进行客运和货运。
城市地下物流系统与地铁运输共用隧道和轨道很大程度上降低了建设成本，节约了地下空间。
该模式需要更高的调度水平和合理的规划，以减少联合运作对客运、货运效率的影响。
此外，客货共线模式下更要注意轨道的承载能力以及磨损程度，这使得该货运系统只能运输中小型商品。
图 6 客货共线的运作模式
在运营模式上，采用现有客运地铁列车后加挂两节货运车厢的方式，并在站台的两端建设货物装卸区，如图7所示，利用可移动式安全挡板将货物装卸区与乘客候车区分隔开，保证人员流动区域的绝对安全。
在起运点装货时，利用RFID技术，以不同的收货区域为标准，完成货物的智能化分拣。
货运车厢内设置可移动货架，利用图8所示搬运机器人，依靠智能大脑自动避障，完成调度系统设定的送货路径，将货物准确送至指定车厢门口，该搬运机器人类似于亚马逊kiva机器人、京东“地狼”搬运AGV。
随后，通过图9所示设备，自动将货物送至卸货平台，最终利用垂直货梯将货物运至地面。
此时，轻型箱式货车已经在垂直货梯旁有序等候，完成地铁站到快递网点的配送。整个过程示意图如图10所示。
同时，该系列机械化设备可以将乘客与货物分流至不同的通道，使地铁站秩序更加稳定，如图11所示。
此外，还可以考虑在地铁站设置智能快递柜，方便乘客自取小件货物。
在运行时间上，地铁客流高峰期时卸除货运车厢，非高峰期时在客运车厢后加挂货运车厢，共同完成运输过程。
夜间地铁停运时，在不影响地铁清理、维修的情况下，利用八节车厢进行货物运输。以此最大效率地利用地铁停运时段，实现地铁的附加价值，增加货运量，降低运输成本。
图 7 客货共线运作模式站台俯视图
图 8 搬运机器人
图 9 自动卸货设备动画图
图 10 客货共线运作模式整体动画图
图 11 客货共线运作模式下客、货运分流通道
目前，地铁物流系统仍处于设想阶段，本期提到的客货共线、客货分线运作模式也只是概念设计。
地铁物流系统线路如何规划？究竟能否投入运营？
下期，我们将以客货共线的地铁物流系统运作模式为基础，以上海市地铁2号线为例，对客货共线的地铁物流系统进行具体线路规划和可行性分析。解码地铁物流系统，未完待续。
本文由中国港口网www.chinaports.com
特约上海海事大学焦慧昱、钱佳独家提供
参考文献
[1] 李春.城市地下空间分层开发模式研究［D］.上海:同济大学，2007．
[2] 王继祥.城市地下的智慧物流配送系统技术与应用[J/OL]. 物流技术与应用.2017-8-22
[3] KikutaJ,ItoT,TomiyamaI,etal.Newsubway-integrated city logistics system[J]. Procedia-social and Behavioral Sciences,2012,39: 476-489.
[4] Dampier A, Marinov M. A study of the feasibility and potential implementation of metro-based freight transportation in newcastle upon tyne[J]. Urban Rail Transit,2015,1(3): 164-182.
[5] 彭玫贞,董建军,任睿,陈志龙,陈一村.城市地下物流系统与地铁的协同运行探析[J/OL].解放军理工大学学报(自然科学版).2017-9-26.
[6] 王小林,赵瀚.基于地铁的城市地下物流系统探讨[J].地下空间与工程学报,2019,15(05):1273-1282.
[7] 刘蕴博,勾兆丁,薛鑫喆,贾青,杨志刚.基于地铁的城市快递物流智能运输系统设计[J].物流技术,2019,38(10):7-11.
